La croûte de Mars est vraiment épaisse

Grâce à un fort séisme sur Mars, des chercheurs de l’ETH Zurich ont pu déterminer l’épaisseur globale de la croûte de la planète. En moyenne, la croûte martienne, qui mesure entre 42 et 56 kilomètres, est bien plus épaisse que celle de la Terre ou de la Lune.

En mai 2022, le service sismique martien de l’EPF de Zurich a enregistré le séisme le plus puissant jamais observé sur une autre planète. L’événement, d’une magnitude estimée à 4,6, avait été enregistré par le sismomètre de la mission InSight de la Nasa à la surface de Mars. "Ce séisme martien a émis de fortes ondes sismiques qui se sont déplacées le long de la surface de Mars", explique Doyeon Kim, sismologue à l’Institut de géophysique de l’ETH Zurich.

Les chercheurs l’espéraient depuis longtemps, car les ondes de surface ne se déplacent pas seulement du foyer du séisme à la station de mesure, mais font plusieurs fois le tour de la planète. Elles ne fournissent donc pas seulement des informations sur certaines zones de la planète, mais permettent d’avoir une vision globale.

"De ce tremblement de terre, le plus important enregistré pendant toute la mission InSight, nous avons observé des ondes de surface qui ont fait jusqu’à trois fois le tour de Mars", raconte le sismologue et premier auteur d’une étude qui vient d’être publiée dans "Geophysical Research Letters". Pour obtenir des informations sur les structures traversées, les chercheurs ont mesuré la vitesse à laquelle ces ondes se propagent à différentes fréquences.

Ces vitesses sismiques fournissent des informations sur la structure interne à différentes profondeurs. Auparavant, les ondes de surface observées, issues de deux impacts de météorites, ne permettaient qu’une connaissance limitée et régionale le long des chemins de propagation spécifiques de ces ondes sismiques. "Grâce à ce puissant séisme, nous avons des observations sismiques qui représentent la structure globale", explique Kim.

Combiner les données globales

Les chercheurs ont combiné leurs résultats nouvellement acquis avec les données existantes sur la gravité et la topographie de Mars, et ont ainsi pu déterminer l’épaisseur de la croûte martienne. Elle est en moyenne de 42 à 56 kilomètres. La croûte est la plus fine dans la région de la plaine d’Isidis, avec une moyenne de 10 kilomètres, et la plus épaisse dans la province de Tharsis, avec 90 kilomètres. A titre de comparaison, la croûte terrestre a une épaisseur moyenne de 21 à 27 kilomètres sur la base des données sismiques ; l’épaisseur de la croûte lunaire, déterminée par les sismomètres des missions Apollo, se situe entre 34 et 43 kilomètres.

"Cela signifie que la croûte martienne est beaucoup plus épaisse que celle de la Terre ou de la Lune", explique Kim. En général, les petits corps planétaires de notre système solaire ont une croûte plus épaisse que les grands, explique le chercheur : "Nous avons eu de la chance. Sur Terre, il aurait été difficile pour nous de déterminer l’épaisseur de la croûte terrestre avec un séisme d’une intensité comparable à celui de Mars. Mars est plus petite que la Terre, mais elle peut aussi transporter l’énergie sismique plus efficacement".

L’un des résultats les plus importants de cette recherche concerne la différence entre les hémisphères nord et sud de Mars. Ce contraste est observé depuis que les télescopes existent ; il est particulièrement bien visible sur les images des satellites martiens : Le nord est constitué de basses plaines, tandis que le sud est parsemé de hautes montagnes. La division entre les basses terres du nord et les hautes terres du sud est appelée dichotomie martienne.

"On pourrait supposer que cette différence s’explique par deux compositions de roches différentes", explique Kim : "L’une des roches serait plus dense, donc plus lourde que l’autre". Ou alors, la composition est la même au nord et au sud, mais l’épaisseur de la croûte diffère. Si la croûte est plus épaisse au sud, il y a moins de la matière plus dense du manteau martien sous elle, alors que sous une croûte plus fine au nord, il y a plus de cette matière plus lourde.

Une croûte plus fine au nord

C’est précisément ce que les chercheurs ont pu démontrer. "Sur la base des observations sismiques et des données gravitationnelles, nous montrons que la densité de la croûte est similaire dans les basses terres du nord et dans les hautes terres du sud", écrivent les chercheurs. En revanche, la croûte de l’hémisphère sud s’étend à une plus grande profondeur que celle de l’hémisphère nord. "Cette découverte est passionnante, même si elle n’est pas très surprenante", déclare Kim. En effet, l’année dernière déjà, l’analyse des impacts de météorites sur Mars avait fourni des indices montrant que les croûtes du nord et du sud étaient constituées du même matériau.

D’autres conclusions peuvent être tirées de l’épaisseur de la croûte martienne. "Notre étude explique comment la planète produit de la chaleur et comment elle a évolué thermiquement", explique Kim. En tant que planète qui, contrairement à la Terre, ne possède qu’une seule plaque, c’est surtout la désintégration d’éléments radioactifs tels que le thorium, l’uranium et le potassium qui génère de la chaleur en son sein.

L’étude révèle que 50 à 70 pour cent de ces éléments producteurs de chaleur se trouvent dans la croûte martienne. Ce fort enrichissement pourrait expliquer qu’il y ait en dessous des régions locales où des processus de fusion pourraient avoir lieu jusqu’à aujourd’hui.